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Modélisation et commande d’un système pile à combustible
Introduction
Ce chapitre portera sur la modélisation et la commande des PàCs. Étant donné que notre travail porte sur des systèmes de multi PàC, nous ferons la modélisation de plusieurs PàCs, tout comme leur commande. En ce qui concerne la modélisation, nous partirons d’un modèle de pile pour en modéliser les autres ou nous pourrions modéliser plusieurs différents modèles à partir de données de différents constructeurs. De ce fait, il existe plusieurs choix ; mais nous nous focaliserons sur une modélisation par représentation mathématique de la pile à l’aide de ses différentes équations dynamiques. Au niveau de la commande, elle sera développée autour de la recherche du meilleur point de rendement de la pile. Dans ce chapitre, nous présenterons les différentes technologies de PàC et notre choix, la modélisation des différentes piles et les différentes commandes qui s’offrent à nous.
Choix technologique
Les différents types de PàC sont généralement répertoriés et classés soit en fonction de la nature de l’ électrolyte utilisé dans les empilements, soit en fonction de la température de fonctionnement [2]. Au niveau température, on distingue les piles à basse température (température pouvant atteindre les 90 OC), les piles à moyenne température (température pouvant atteindre les 200 OC) et les piles à haute température (température pouvant atteindre les 600 oC et 800 OC). Les piles à basse température sont des piles alcalines (AFC: Alkaline Fuel Cell), les piles à membranes échangeuses de protons (PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel Cell ou PEFC: Pol ymer Electrolyte Fuel Cell) et les piles directement alimentées en méthanol (DMFC: Direct Methanol Fuel Cell). Dans la catégorie moyenne température, on a les piles à acide phosphorique (P AFC : Phosphoric Acid Fuel Cell). Quant aux piles à haute température de fonctionnement, on a les piles à carbonates fondus (MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell) et les piles à oxyde solide (SOFC : Solid Oxide Fuel Cell) [14].
Pour des raisons essentiellement liées à la fiabilité et à des contraintes d’ industrialisation en grande série, le concept d’ électrolyte solide est le plus attractif: c’est la raison pour laquelle se dessine aujourd’hui un consensus large pour privilégier deux filières, celle des PàC à acide polymère (PEMFC) et celle des piles à oxyde solide (SOFC).
Dans ce travail, nous nous intéresserons qu’aux piles PEM. Ayant pour accent le transport dans ce travail, cette technologie apparait actuellement comme la meilleure alternative dans ce domaine, et ce pour deux avantages majeurs. Le premier provient de l’ utilisation d’une membrane solide qui contrairement aux électrolytes liquides doit garder une meilleure stabilité de fonctionnement lorsque le stack est soumis à diverses vibrations mécaniques. Le second point fort de la technologie PEM provient de sa basse température de fonctionnement. Celle-ci permet une mise en température relativement rapide et donc, dans le cas d’une application transport, des temps de démarrage réduits [15]. En explorant les diverses avancées dans les applications avec des PàC ; de plus en plus de centres de recherche et développement à travers le monde concentrent actuellement de grands efforts sur la technologie PEM. C’est ainsi qu’en 2014, l’ industriel français Areva, l’ADEME (agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie) et la société SMART Energies ont lancé conjointement la création d’une coentreprise Areva H2-Gen. Ce projet de co entreprise a pour objectif la fabrication et la conm1ercialisation d’ électrolyseurs à membrane à échange de protons (PEM) [16]. Également, le département de l’énergie desUSA (DOE) présente dans son rapport annuel sur le marché de la technologie des P à C de 2014 les différents apports investir dans le développement de la technologie PEM.
Investissement qui se chiffre à hauteur de 120 millions de dollars[17). D’un point de vue général, les recherches visent essentiellement à augmenter les performances globales du système PàC (en termes de rendement, de durée de vie, de fiabilité, de compacité, de masse) et à diminuer les coûts. Selon les récentes informations du DOE datant de 2017, aujourd’hui un système PàC coûte environ 53 $IkW pour véhicules légers et prévoit horizon 2020 de ramener ce prix à 40 $IkW. Ce qui démontre une incitation réelle pour le développement de la technologie PEM pour les futures applications [18). Au vu des différents intérêts pour la technologie PEM, nous utiliserons cette technologie pour la suite de notre travail et donc la modélisation sera présentée dans la section suivante.
Modélisation d’une pile à combustible à membrane échangeuse de protons
Comme présenté en introduction, une PàC PEM est un générateur qui transforme directement et de façon continue l’ énergie chimique en énergie électrique via un procédé électrochimique. Ainsi, nous modéliserons quatre piles qui pourront être identiques ou non (pour un système de multi PàC) ; mais dans le cadre de notre travail, toutes les piles seront de puissances différentes. De ce fait, une question se pose: pourquoi choisir des piles de différentes puissances?
Le choix des piles de différentes puissances permet de mieux observer la caractéristique rendement en fonction de la puissance et d’ évaluer les performances du système surtout que ces dernières ne présentent pas les mêmes points de rendement. Un autre avantage . réside dans l’apport en puissance et également le nombre de piles que l’on pourrait avoir dans le système. Alors deux approches de modélisation peuvent être évoquées : se servir de la modélisation d’une PàC pour en modéliser les autres à puissances variables ou procéder à quatre modélisations. Dans ce travail, nous partirons sur l’approche de modélisation de quatre piles, toutes de puissances différentes. Ces quatre PàC à modéliser sont: la PàC SR-12 500W d’une puissance de 500W du constructeur Avista Labs, la BCS 500 W Stack d’une puissance de 500W du constructeur BCS Technologies, la PàC Nexa 1200W d’une puissance de 1200W du constructeur Ballard et enfin d’une PàC générique d’une puissance de 700 W.
Modélisation d ‘une PàC SR-12 500W
La modélisation de cette PàC passera par la modélisation de sa tension en circuit ouvert, des pertes irréversibles en tension, des pressions partielles en hydrogène et oxygène, et de la température.
Tension en circuit ouvert de la PàC à échange de protons
La PàC à membrane échange de protons consiste à une membrane d’échange de protons placée entre deux électrodes qui sont recouvertes de catalyseurs en platine [19]. Utilisant un système Hydrogène/Air, l’hydrogène est fourni à l’anode et l’ air, sous forme d’oxygène est fourni à la cathode. A l’anode, l’hydrogène, en présence de catalyseur de Platinum, est ionisé en charges positives d’hydrogène et charges négatives d’électron. L’ensemble de réactions chimiques en découlant sont exprimées comme suit:
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Table des matières
Résumé
Remerciements
Table des matières
Liste des tableaux
Liste des figures
Liste des symboles
Chapitre 1 – Introduction
1.1 Contexte de l’étude
1.2 Problématique
1.3 Méthodologie
Chapitre 2 – État de l’art
2.1 Introduction
2.2 Présentation d’un système multi-pile à combustible
2.3 Commande d’un système multi-pile
2.4 Conclusion
Chapitre 3 – Modélisation et commande d’un système pile à combustible
3.1 Introduction
3.2 Choix technologique
3.3 Modélisation d’une pile à combustible à membrane échangeuse de protons
3.3.1 Modélisation d’une PàC SR-12 500W
3.3.2 Modélisation d’une PàC générique
3.4 Modélisation des systèmes auxiliaires
3.5 Modélisation du système de stockage: batterie
3.5.1 Modèle de décharge
3.5.2 Modèle de charge
3.6 Commande d’un système pile à combustibles
3.6.1 Modélisation du convertisseur DC/DC Boost
3.6.2 Commande du convertisseur DCIDC
3.7 Conclusion
Chapitre 4 – Dimensionnement et stratégie d’un système à une pile (unipile)
4.1 Introduction
4.2 Dimensionnement du système à une pile
4.2.1 Dimensionnement de la charge : puissance requise par le véhicule
4.2.2 Modélisation dynamique d’un véhicule
4.2.3 Validation du modèle
4.2.4 Dimensionnement de la pile à combustible
4.2.5 Dimensionnement de la batterie
4 . 3 SY s te’ me d e ges t’I On e, nerge’t I’ que
4.3.1 Stratégie de contrôle basée sur la machine d’état
4.3.2 Stratégie de contrôle basée sur les règles de la logique floue
4.3.3 Stratégie basée sur le découplage fréquentiel et la logique floue
4.3.4 La stratégie basée sur la minimisation de la consommation équivalente
4.3.5 Stratégie de contrôle basée sur la commande optimale
4.3.6 Stratégie de contrôle MEPT & MPPT avec ou sans contrôle du SOC du stockage
4.4 Conclusion
Chapitre 5 – Dimensionnement et stratégie d’un système multi-pile à combustible
5.1 Introduction
5.2 Dimensionnement du profil de charge
5.3 Dimensionnement de la puissance aux piles et de l’élément de stockage
5.4 Choix des générateurs PàC
5.5 Stratégie de commande d’un système multi-piles
5.5.1 Stratégie de gestion de l’énergie basée sur les règles
5.5.2 Stratégie basée sur la commande optimale
5.5.3 Stratégie de contrôle par ECMS (Energy Consumption Minimization Strategy)
5.5.4 Stratégie de gestion basée sur la logique floue et la répartition
de puissance
5.6 Conclusion
Chapitre 6 – Conclusion
Références
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